实验10 碳单质与某些氧化物的反应-中考化学实验精讲精练（解析版）

人教版2024上册/第六单元碳和碳的氧化物/课题1碳单质的多样性实验10碳单质与某些氧化物的反应【实验目的】1．认识木炭还原氧化铜的实验原理、装置、步骤等。2．通过观看和动手实验，培养学生发现问题能力和实验操作能力。【实验仪器】试管、酒精灯、金属网罩、铁架台（带铁夹）、弹簧夹、橡胶塞、导管、升降台、火柴【实验试剂】木炭、氧化铜、澄清石灰水【实验过程】连接仪器，检查装置的气密性；把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管；将试管固定在铁架台上，将导管插入澄清石灰水中；打开弹簧夹，用酒精灯加热混合物几分钟；先撤出导管，用弹簧夹夹紧乳胶管，停止加热，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象。【实验现象】大试管中的固体由黑色变为红色；小试管中的澄清石灰水变浑浊。【实验结论】木炭能够还原氧化铜生成铜单质和二氧化碳；该实验说明木炭具有还原性。1.木炭还原氧化铜的实验木炭还原氧化铜的化学方程式为：C＋2CuO高温2Cu＋CO2↑，在这个反应中，氧化铜失去氧而变成单质铜。这种含氧化合物里的氧被夺去的反应属于还原反应。【问题讨论】将木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀的目的是增大木炭和氧化铜的接触面积，使反应更充分。固定试管时，试管口要略向下倾斜，目的是防止冷凝水倒流，使试管炸裂。在酒精灯上加网罩的目的是使火焰集中并提高温度。加热时，要先均匀加热，再对准试剂集中加热，防止试管由于受热不均匀而炸裂。（5）实验结束时，要先将导管从石灰水中取出，再熄灭酒精灯的原因是防止石灰水倒流入热的大试管中，使试管炸裂。（6）待试管冷却后再把试管内的粉末倒在纸上的原因是防止生成的铜被再次氧化。2.碳单质与某些氧化物的反应（1）碳单质与某些氧化物的反应（还原性）可用于冶金工业。如利用焦炭把铁从它的氧化物矿石里还原出来：3C＋2Fe2O3高温4Fe＋3CO2↑。（2）高温条件下，碳单质使二氧化碳转变成一氧化碳：C+CO2高温2CO。【典例1】碳在一定条件下能与反应：，发生还原反应的物质是A．C B． C． D．【答案】B【解析】在此反应中碳得氧发生了氧化反应，是还原剂；氧化铜失氧发生了还原反应，是氧化剂；故选：B。【典例2】为了复习巩固金属氧化物和碳的化学性质，某化学研究小组在老师的带领下进行了如图所示的相关性质实验。下列有关说法错误的是A．左侧试管中的黑色固体逐渐变红，说明碳具有还原性B．右侧试管中澄清石灰水变浑浊，说明碳具有可燃性C．实验结束时，应该先关闭止水夹，再熄灭酒精喷灯D．本实验存在安全隐患，应该增加尾气处理装置【答案】B【解析】A、该实验中，左侧试管中的黑色固体逐渐变红，说明碳和氧化铜在高温下反应生成铜和二氧化碳，在该反应中，碳得到氧，属于还原剂，说明碳具有还原性，不符合题意；B、右侧试管中澄清石灰水变浑浊，是因为碳和氧化铜在高温下反应生成二氧化碳，说明碳具有还原性，符合题意；C、实验结束时，应先关闭止水夹，再熄灭酒精喷灯，防止温度降低，试管内压强减小，澄清石灰水倒流，炸裂试管，不符合题意；D、该实验中，如果碳过量，反应生成的二氧化碳能与碳在高温下反应生成一氧化碳，一氧化碳有毒，散逸到空气中，会污染空气，故应增加尾气处理装置，不符合题意。故选B。【典例3】某化学兴趣小组同学利用木炭还原氧化铜设计如图所示实验。下列有关说法错误的是A．金属网罩的作用是集中火焰并提高温度B．甲、乙两处发生的反应均为C．将均匀混合，有利于增大反应物间的接触面积D．若观察到乙处黑色粉末变红，说明甲处产生了【答案】B【解析】A、该实验中，金属网罩的作用是：集中火焰，提高温度，不符合题意；B、该实验中，甲处反应可能是碳和氧化铜在高温下反应生成铜和一氧化碳，即，乙处发生反应应为一氧化碳和氧化铜在高温的条件下反应生成铜和二氧化碳，该反应的化学方程式为：，符合题意；C、将C、CuO均匀混合，可以增大反应物之间的接触面积，使反应更快更充分，不符合题意；D、一氧化碳能与氧化铜在高温下反应生成铜和二氧化碳，故若观察到乙处黑色粉末变红，说明甲处产生了CO，不符合题意。故选B。1．如图所示是碳与氧化铜反应的实验装置，下列说法错误的是A．网罩的作用：集中火焰并提高温度B．试管b的作用是检验有二氧化碳生成C．试管a中黑色粉末变红，说明碳具有还原性D．反应结束后立即把试管a中的物质倒出来观察现象【答案】D【解析】A、网罩可以使火焰集中，提高温度，故选项说法正确；B、碳与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，因此试管b中澄清石灰水用于检验二氧化碳的生成，故选项说法正确；C、试管a中黑色粉末变红，是因为碳能夺走氧化铜中的氧生成了铜，说明碳具有还原性，故选项说法正确；D、反应结束后立即把试管a中的物质倒出来，其中的铜可能在较高温度下与空气中的氧气发生反应生成氧化铜，所以不能反应结束后立即把a中的物质倒出来观察现象，故选项说法不正确。故选D。2．实验室将一定量的碳粉和氧化铜粉末混合共热，剩余固体随着时间的关系如图。下列说法不正确的是A．t1时反应刚开始B．生成铜的质量一定为ngC．生成气体的质量为(m-n)gD．剩余固体中铜元素的质量分数先变大后不变【答案】B【解析】A、由图可知，t1后固体质量才开始减少，则此时才开始反应，说法正确；B、若碳过量，则剩余固体的质量为铜和碳，则铜的质量小于ng，说法错误；C、根据反应前后物质的总质量不变，则生成的气体的质量为(m-n)g，说法正确；D、根据质量守恒定律，反应前后固体中铜元素的质量不变，但固体质量减小，则剩余固体中铜元素的质量分数先变大后不变，说法正确。故选B。3．如图是演示碳还原氧化铜实验的创新实验装置。下列有关说法错误的是A．实验前先通氮气的目的排尽装置内空气 B．加热反应物可观察到固体由黑色变为红色C．实验过程中碳粉夺氧元素发生氧化反应 D．旋开旋塞，滴加澄清石灰水则无浑浊现象【答案】D【解析】A、碳与氧化铜反应生成二氧化碳，二氧化碳与碳反应生成一氧化碳，若装置内含有空气，一氧化碳在空气中加热容易造成爆炸，故实验前先通氮气的目的排尽装置内空气，该选项说法正确；B、该实验中黑色氧化铜被还原成铜，黑色碳转化成二氧化碳，故可观察到固体由黑色变为红色，该选项说法正确；C、物质得到氧的反应叫做氧化反应，碳粉夺走了氧化铜中的氧生成二氧化碳，碳粉继续夺走二氧化碳中的氧生成一氧化碳，故实验过程中碳粉发生的氧化反应，该选项说法正确；D、该过程中生成二氧化碳，故旋开旋塞，滴加澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊，该选项说法不正确；故选D。4．对比学习法是学习化学的常用方法。已知：木炭与氧化铜，一氧化碳与氧化铁在一定条件下均能发生反应。实验装置如下图，关于这两个实验说法不正确的是A．两个实验中反应条件都是高温B．两个实验中澄清石灰水都会变浑浊C．两个实验中固体减少的质量都等于生成气体的质量D．两个实验中金属氧化物都发生了还原反应【答案】C【解析】A、木炭和氧化铜在高温下反应生成铜和二氧化碳，一氧化碳和氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳，反应条件都是高温，不符合题意；B、木炭和氧化铜在高温下反应生成铜和二氧化碳，一氧化碳和氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳，都有二氧化碳生成，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，不符合题意；C、木炭和氧化铜反应：，根据质量守恒可知，生成的二氧化碳气体等于参加反应的碳的质量和氧化铜失去氧的质量和，因为反应物均为固体，固体减少的质量为产生的气体质量。一氧化碳和氧化铁反应：，生成二氧化碳的质量等于参加反应的CO和氧化铁中失去的氧的质量，因此生成二氧化碳的质量比固体减少的质量大，故C错误；D、这两个实验中，金属氧化物都失去氧，属于氧化剂，被还原，发生了还原反应，故D正确。故选C。5．用木炭还原氧化铜的实验如图所示：(1)酒精灯加网罩的目的是。(2)刚开始预热，试管②中立即产生气泡，但石灰水不变浑浊，原因是。(3)继续加热，观察到试管①中的现象是。(4)请写出试管①中发生反应的化学方程式是：，该反应中木炭发生了反应(填“氧化”或“还原”)；表示反应停止的现象。(5)该实验结束后，应先然后再。【答案】(1)集中火焰、提高温度(2)此时逸出的气体是试管内的空气，而非二氧化碳(3)固体由黑色逐渐变红(4)氧化②试管中导管口没有气泡冒出(5)②试管中的导管移出水面熄灭酒精灯【解析】（1）酒精灯火焰加上网罩后火焰会集中，从而提高了火焰的温度；（2）刚开始加热时试管内空气膨胀逸出，此时碳和氧化铜未反应，没有二氧化碳生成，所以会有气泡产生，但石灰水不会变浑浊；（3）碳和氧化铜反应能生成铜和二氧化碳，所以试管①中的现象应该是固体由黑色逐渐变红；（4）碳和氧化铜在高温下反应生成二氧化碳和铜，化学方程式为：；该反应中木炭得到氧，发生了氧化反应；表示反应停止的现象②试管中导管口没有气泡冒出；（5）该实验结束后，应先将②试管中的导管移出水面，然后再熄灭酒精灯，以防冷水倒吸，炸裂试管。6．某同学在学习木炭和氧化铜反应的知识后，产生了疑问：木炭与氧化铜反应生成的气体有哪些？同学们带着疑问进行了下列探究：【提出猜想】(1)猜想一：只有CO2；猜想二：只有CO；猜想三：。【查阅资料】浸有磷钼酸溶液的氯化钯试纸遇二氧化碳无变化，但遇到微量一氧化碳会立即变成蓝色。【实验探究】(2)连接好实验装置，并进行实验，装置如图所示：步骤一：实验前先通一段时间N2；步骤二：点燃酒精喷灯加热。现象结论如果装置B中氯化钯试纸不变色，装置C中澄清石灰水变浑浊则猜想①成立如果装置B中氯化钯试纸变蓝，装置C中则猜想②成立如果装置B中，装置C中。则猜想③成立【实验结论】实验现象证明猜想③成立，同学们的疑问是合理的。【分析思考】(3)同学们对CO产生的原因进行了分析：原因一：木炭和氧化铜在高温条件下直接发生反应产生CO；原因二：CO可能是碳与CO2在高温下反应生成，写出反应的化学方程式为。【实验反思】(4)该实验开始前通一会儿N2的目的是：。(5)请从环保的角度分析该实验装置的不完善之处：。【答案】(1)CO2和CO的混合物(2)澄清石灰水不变浑浊氯化钯试纸变蓝澄清石灰水变浑浊(3)CO2+C2CO(4)排尽装置内的空气，防止空气中的氧气与碳反应，对碳和氧化铜反应产物检验的干扰(5)没有尾气处理装置【解析】（1）结合其它猜想可知，气体也可能为二氧化碳和一氧化碳的混合物。（2）浸有磷钼酸溶液的氯化钯试纸遇到微量一氧化碳会立即变成蓝色，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，猜想②成立，则澄清石灰水不变浑浊；若猜想③成立，则可观察到装置B中氯化钯试纸变蓝，装置C中澄清石灰水变浑浊。（3）碳和二氧化碳在高温条件下反应生成一氧化碳，反应的化学方程式为：。（4）空气中含有氧气，碳能和氧气反应，则先通入一段时间氮气，可除去装置内的空气，防止对碳和氧化铜反应产物检验的干扰。（5）一氧化碳有毒，会污染空气，该装置没有尾气处理装置。7．某班同学取用总质量相同的木炭粉和氧化铜的混合物，按图示装置进行实验。实验过程中发现有的小组“黑色固体变红色”这一实验现象不明显。小组同学对此异常现象进行如探究。【查阅资料】①氧化铜（CuO）为黑色固体。能与稀硫酸反应：。②CO具有可燃性。【知识回忆】(1)碳和氧化铜反应的化学方程式，理论上碳和氧化铜的质量比为（化为最简整数比）。【作出猜想】产生异常现象可能与所取用木炭粉和氧化铜的质量比有关。【实验探究】小组同学用总质量相同但质量比不同的木炭粉和氧化铜的混合物（不考虑其中杂质），分别进行实验，部分实验现象记录如下：实验序号m（C）：m（CuO）实验后A处试管中固体颜色C处导管口的现象11:8红色固体中有少量黑色固体尾气燃烧21:9红色固体中有较少量黑色固体尾气燃烧31:10红色固体中有很少量黑色固体尾气不燃烧41:11红色固体中有极少量黑色固体_______。51:12红色固体中无黑色固体尾气不燃烧61:13红色固体中有较多黑色固体尾气不燃烧【交流讨论】(2)推测实验4中“C处导管口的现象”是。(3)上述探究可得出，实验时所用木炭粉和氧化铜的质量比控制在1:10~1:12之间，可观察到黑色固体明显变红，同时还可减少（填化学式）排放，防止空气污染。(4)检验实验6反应后A处试管中黑色固体物质，可滴加的试剂是，观察到的现象是。【反思评价】(5)实验中没有进行质量比为1:14的实验，理由是。(6)分析发现，实验5中m（C）：m（CuO）比值与理论值不符，实验后却无黑色固体残留。请用化学方程式解释实验中过量的黑色固体消失的原因：（写一个即可）。【答案】(1)3:40/(2)尾气不燃烧(3)CO(4)稀硫酸黑色固体溶解，溶液由无色变为蓝色(5)木炭与氧化铜的质量比为1:13时，氧化铜已过量(6)、【解析】（1）碳和氧化铜在高温条件下生成铜和二氧化碳，故反应的化学方程式为：；由上述方程式可知，碳和氧化铜的质量比=；（2）观察表格，刚开始木炭过量，生成的二氧化碳和碳在高温条件下生成一氧化碳，所以尾气能被点燃。随着碳粉减少，生成的一氧化碳逐渐减少，到实验3时，生成的尾气已不能被点燃，实验4时碳粉更少，尾气中的一氧化碳更少，也不能被点燃。故填：尾气不燃烧；（3）实验时所用木炭粉和氧化铜的质量比控制在1:10~1:12之间，可观察到黑色固体明显变红，同时还可减少一氧化碳的排放，故填：CO；（4）由题意可知，实验6反应后A处试管中黑色固体物质是氧化铜，可以用稀硫酸检验，故填：稀硫酸；氧化铜和足量稀硫酸反应生成硫酸铜和水，反应现象可填：黑色固体溶解，溶液由无色变为蓝色；（5）由表格可知，当碳和氧化铜的质量比为1:13时，红色固体中有较多黑色固体，说明此时氧化铜已经过量，那么也就没有必要再进行质量比为1:14的实验了，故填：木炭与氧化铜的质量比为1:13时，氧化铜已过量；（6）实验5中碳和氧化铜的质量比为1:12，而理论值为3:40，说明碳是过量的，而实验后却无黑色固体残留，是因为开始时碳与装置内的空气在点燃条件反应生成二氧化碳，在实验过程中产生的二氧化碳与碳在高温条件下生成一氧化碳，故反应的化学方程式为：、。7．兴趣小组同学将80g氧化铜和8.4g的炭粉在隔绝空气的密闭装置中持续加强热，通过传感器测得装置内CO2的质量变化如图所示。下列说法正确的是A．a点炭粉一定完全反应B．时，装置中气体只有CO2C．时，装置中木炭的质量为2.4gD．装置中CO2的质量减少的原因是高温下炭粉与二氧化碳反应【答案】D【分析】高温条件下，氧化铜和碳反应生成铜和二氧化碳，碳与二氧化碳反应生成一氧化碳。设至少需要木炭的质量为x，生成二氧化碳的质量为y，x=6gy=2.2g，设2.2g二氧化碳消耗炭粉的质量为z，z=0.6g，所以反应结束后剩余炭粉的质量=8.4g-6g-0.6g=1.8g，二氧化碳全部转化为一氧化碳。【解析】A、由分析可知，a点炭粉剩余的质量=8.4g-6g=2.4g，故说法错误；B、由分析可知，时，装置中气体只有一氧化碳，故说法错误；C、由分析可知，时，装置中木炭的质量为1.8g，故说法错误；D、由分析可知，装置中CO2的质量减少的原因是高温下炭粉与二氧化碳反应生成一氧化碳，故说法正确。故选D。8．某小组用W形管探究C还原后的气体产物。(1)按照配比，混合相应质量的C粉和粉末，并充分混合、研磨。编号粉末①粉末②粉末③C原子与O原子个数比C粉质量质量xg。(2)实验探究1：步骤1：如图a，称取研磨均匀后的粉末①装入A处，B处放入澄清石灰水，用金属网罩住酒精灯加热。一段时间后，A处粉末变成红色，B处澄清石灰水变浑浊。请写B处出相关化学方程式。步骤2：分别用粉末②、粉末③重复上述实验，一段时间后，均出现A处粉末变成红色，B处澄清石灰水变浑浊。根据上述实验结果可以得出的实验探究1的结论是。(3)实验探究2：探究与C反应能否生成步骤1：如图形管处放入氧化铜粉末，凹槽处不放置药品。点燃酒精灯，并对处固体加热5分钟，无明显现象。步骤2：另取W形管，取粉末①装入处。从另一端放入氧化铜粉末于处，加热5分钟，发现处无明显变化。步骤3：分别用粉末②、粉末③重复上述实验，加热5分钟，发现处变成红色。实验探究2中，步骤1的目的是。(4)进一步用仪器测量实验探究2产生的气体，得到以下图像：①请问用粉末③进行实验时产生的气体对应曲线为。②从定量角度分析，C还原生成的含量增加的原因可能是。【答案】(1)10(2)C还原CuO后的气体产物中含有二氧化碳(3)证明高温条件下，空气中的物质不能将氧化铜还原成铜(4)A碳粉过量【解析】（1）由表中数据信息可以看出，碳原子和氧原子的个数比即为碳粉中碳原子个数与氧化铜的粒子个数之比，由此可以求出氧化铜的质量，如粉末①中，碳原子与氧原子个数比为1:2，所以碳原子个数与氧化铜的微粒个数比为1:2，则二者的质量比为:，即氧化铜的质量约是碳粉的质量的13.3倍，所以碳的质量为1g时，氧化铜的质量为13.3g；所以粉末②中碳与氧化铜的质量比为：，即当碳粉质量为1g时，氧化铜的质量为10g，故x的值为10。（2）澄清的石灰水变浑浊，说明有二氧化碳产生，二氧化碳和氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和水，反应的化学方程式为：。小组实验的目的是用W形管探究C还原CuO后的气体产物，A处粉末变成红色说明有铜生成，B处澄清石灰水变浑浊说明有二氧化碳生成，所以可以得出的实验探究1的结论是：C还原CuO后的气体产物中含有二氧化碳。（3）步骤1虽然只放了氧化铜，但玻璃管内有空气，氧化铜没有发生变化，证明高温条件下，空气中的物质不能将氧化铜还原成铜（或氧化铜受热不分解，合理即可）。（4）碳粉和氧化铜反应的化学方程式及各物质的质量关系如下：，由碳与氧化铜反应的化学方程式可知，当碳粉和氧化铜恰好完全反应时，碳粉和氧化铜的质量比为3:40，结合前面的分析可以得出，当碳粉过量时，过量的碳粉与氧化铜和碳粉反应生成的二氧化碳在高温的条件下反应生成一氧化碳，由于氧化铜量一定，所以生成的二氧化碳量一定，但当剩余的碳粉量越多，使二氧化碳完全转化成一氧化碳的可能性就越大，产生的一氧化碳也就越多，结合（1）表中数据可知，碳粉与氧化铜的质量比越大，产生的一氧化碳越多，故答案为：①粉末③进行实验时产生的气体对应曲线为A；②碳粉过量（或碳粉与氧化铜的质量比增大，合理即可）9．某学校兴趣小组探究碳还原金属氧化物的反应，请回答下列问题。（一）甲组同学设计了第一组实验：碳还原氧化铁（如图1）（1）仪器a的名称。（2）试管内发生的化学反应有：3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑、C+CO22CO、（写出化学方程式）。（3）甲组同学采用对比实验的方式，研究不同形态的碳和氧化铁的反应，并用一氧化碳传感器测得试管内一氧化碳含量如图2所示。[ppm是浓度单位]通过两幅图像的分析，90秒至300秒之间一氧化碳含量变化趋势明显不同的主要原因可能是活性炭对CO的比木炭强。（4）图1装置中气球的作用是①、②；与使用普通导管相比，球形导管上的球体部分所起作用是。（二）乙组同学设计了第二组实验：碳还原氧化铜（如图3）乙组同学做木炭与氧化铜反应实验时，发现很难观察到紫红色铜的生成，却往往有暗红色固体出现。他们决定对这个实验进行探究和改进。【提出问题】暗红色的固体是什么？如何选择合适的条件，使木炭还原氧化铜的实验现象更明显？【查阅资料】通常情况下，氧的化合价为-2，碳的化合价为+4或-4，铜的化合价为+1或+2。【猜想与假设】（5）同学们认为这种暗红色固体可能是一种化合物，并猜测它的化学式为。同学们还认为，通过改变反应物的状态、质量比，以及反应装置，可以使该实验现象更加明显，减少出现暗红色固体的情况。【分析与交流】（6）小吴建议用超细炭粉与氧化铜粉末进行实验，这样做的优点是。（7）小周建议用图乙装置替代甲装置。与甲相比较，乙装置中将试管直立放置的作用是有利于集中加热，获得持续高温。（8）对下列三种氧化铜和碳的质量比例，小施建议选择(填选项序号)的比例。A．32:3

B．40:3

C．48:3【实验与结论】（9）同学们决定按改进后的方案进行实验，他们在检验了乙装置的后，往试管中加入已干燥的药品并开始加热，当澄清的石灰水变浑浊时，说明生成了（填化学式）。（10）待反应结束后，先将导气管从石灰水中取出，然后关闭止水夹，让产物自然冷却，若不关闭止水夹，可能出现的问题是。（11）待产物冷却后，同学们终于看到了期待已久的紫红色物质，实验获得了圆满成功。木炭还原氧化铜生成铜和二氧化碳的反应方程式为。【答案】（1）锥形瓶（2）3CO+Fe2O32Fe+3CO2（3）吸附能力（4）缓冲收集尾气防止倒吸（